瓦斯学术：倾斜厚煤层卸压瓦斯研究相关进展

看点导读

       煤炭是我国的兜底能源、发挥着压舱石作用，2022年全国原煤产量45.6亿t，创历史新高。全国拥有14个亿吨级煤炭生产基地，多数具有倾斜厚煤层开采情况，例如新疆作为我国中西部重点产煤大省，倾斜厚煤层数量众多。倾斜厚煤层相较于易开采煤层，煤炭赋存条件复杂，煤层透气性低，采空区卸压瓦斯运储规律不易辨识，卸压瓦斯抽采钻孔布置位置难以确定，通风系统负担大，极易发生瓦斯灾害。导致灾害发生的卸压瓦斯，其运储路径受采动裂隙演化影响，采动裂隙发育受关键岩块制约。因此，研究关键岩块对采空区裂隙演化的影响，进而明晰卸压瓦斯运储规律, 实现瓦斯高效精准抽采，对倾斜厚煤层的安全开采具有重要意义。本期瓦斯学术聚焦倾斜厚煤层卸压瓦斯相关研究，分享李树刚教授团队分别发表在《中国矿业大学学报》和《煤炭科学技术》学术杂志上的2篇论文，希望能给大家带来帮助和启发！

推荐文献：

[1]   赵鹏翔, 常泽晨, 李树刚, 等. 倾斜厚煤层开采卸压瓦斯运储区能量耗散结构时变机理研究[J]. 中国矿业大学学报: 1-13.

[2]   李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 等. 倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(8): 105-115.

拓展文献：

[1] 急倾斜厚煤层短壁综放采场承载结构泛化特征[J]. 王红伟;焦建强;伍永平;刘宝恒;赵华涛.煤炭科学技术,2021(11)  

[2] 深部大倾角厚煤层开采能量演化规律与冲击地压发生机理[J]. 薛成春;曹安业;郭文豪;刘耀琪;温颖远;胡阳;李许伟.采矿与安全工程学报,2021(05) 

[3] 高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合机理[J]. 赵鹏翔;张文进;李树刚;卓日升;林海飞;索亮.煤炭学报,2023(09)

为了确定倾斜厚煤层开采过程中覆岩能量耗散结构影响下的卸压瓦斯运储区产生和演化规律，针对新疆昌吉市菏泽腾达矿业B5#煤层主采工作面，采用理论研究和物理相似模拟试验探究覆岩裂隙时变规律，明确卸压瓦斯运储区区域范围，定义卸压瓦斯运储区覆岩中的能量耗散结构，确定能量耗散结构种类、形成判据及演化规律，揭示倾斜厚煤层开采卸压瓦斯运储区能量耗散结构时变机理。

以新疆昌吉市菏泽腾达煤矿B5#煤层某主采工作面为研究原型，煤层厚度为7.30~7.65m，平均厚度为7.50m，工作面倾角为20°~25°，平均倾角23°。煤层结构较简单，局部存在夹矸现象，全区稳定可采，煤层瓦斯含量为3~4m3/t，相对瓦斯涌出量为7.75m³/t，绝对瓦斯涌出量为19m³/min。B5#煤层上方岩层以粉砂岩、中砂岩和粗砂岩为主，次为泥岩、中粗砂岩、细中砂岩和细砂岩，煤层及上覆岩层物理力学参数如表1所示。

表1 煤层及上覆岩层物理力学参数

选用西安科技大学自主研发的倾角自动调控覆岩裂隙演化物理相似模拟试验台，设计尺寸为1200mm×140mm×800mm。试验模型选取河砂作为骨料，石膏和淀粉作为胶结剂，物理相似模拟试验遵循现场地质条件，依据相似定理确定相似常数，几何相似比为1∶100，时间相似比为1∶10，容重相似比为1∶1.5。

（1）卸压瓦斯运储区破断裂隙密度时变特征随着推进时间增大，工作面推进距离持续增加，裂隙沿工作面推进方向演化。不同时段下破断裂隙密度空间上沿煤层开采方向迅速上升至10.00条/m，随后快速下降至5.50条/m，在一定距离内持续稳定在5.50~3.91条/m之间。随后破断裂隙密度由5.50条/m上升至10.90条/m后快速下降，其中破断裂隙密度5.50条/m为波动和稳定阶段的突变点。

图1 破断裂隙密度时变特征

破断裂隙密度稳定阶段区域范围内，受开采影响铰接梁失稳回转，铰接梁上方岩体迅速垮落，对下方岩体挤压，导致岩体间部分裂隙迅速闭合，区域内破断裂隙密度变小。此时岩体稳定性较强，将该阶段对应区域称为覆岩压实区，如图1下侧图所示。破断裂隙密度波动阶段区域范围内断裂岩体相互铰接，为卸压瓦斯运储提供空间，区域整体破断裂隙密度大，如图1右侧图所示；此时岩体稳定性较差，将该阶段对应区域称为卸压瓦斯运储区。卸压瓦斯运储区在不同时段内破断裂隙密度均存在峰值，并随推进时间延长持续上升，推进时间由55.2h延长至122.4h时，破断裂隙密度峰值由9.95条/m上升至10.90条/m。随推进时间延长， 破断裂隙发育范围变广，卸压瓦斯运储路径增多，卸压瓦斯运储区域宽度由21.37m增加至30.21m。

（2）卸压瓦斯运储区贯通度时变特征

卸压瓦斯受气体压力的作用在岩体破裂处运移，岩体破裂程度可以用贯通度加以描述，故贯通度也能诠释卸压瓦斯在裂隙中运移和储集能力的强弱。裂隙场贯通度时变特征如图2所示，由该图可见，推进时间越长，裂隙发育高度越高，最高可达到68m。同时距煤层底板距离增加裂隙贯通度减小，不同周期来压贯通度缓慢减小至0.57时，出现断崖式迅速下降。因此，将贯通度分为缓慢下降阶段和快速下降阶段。

图2 贯通度时变特征

贯通度为1.00~0.57时属于缓慢下降阶段，贯通度下降速率从第1次周期来压的0.0215h-1减小至第5次周期来压的0.0041h-1，该阶段内岩体断裂垮落程度大，破碎状堆积混乱，岩体渗透率显著增加，卸压瓦斯在区域内充分运移，将该阶段对应区域称为瓦斯运移区，如图2左侧图形所示。贯通度在0.57~0.10时属于快速下降阶段，贯通度下降速率保持在0.0051~0.0331h-1之间，该阶段岩体下沉趋势小，岩体内仅有少量纵向破断裂隙，瓦斯纵向运移受阻，容易储集在横向离层裂隙内，将该阶段对应区域称为瓦斯储集区，如图2右侧图形所示。同时随推进时间增加，采空区裂隙发育高度持续上升，瓦斯运移区域高度由8.3m增加至56.0m，瓦斯储集区域高度由19.0m增加至68.0m，卸压瓦斯运储区域范围均扩大。

（3）卸压瓦斯运储区形态特征

通过物理相似模拟试验对破断裂隙密度和岩体贯通度的研究发现，随着工作面的推进，采场破断裂隙密度和岩体贯通度持续变化，以破断裂隙密度时变过程中的突变点5.5条/m作为压实区和卸压瓦斯运储区的边界条件，以岩体贯通度时变过程中的突变点0.57作为瓦斯运移区和瓦斯储集区的边界条，构建卸压瓦斯运储区空间形态模型，卸压瓦斯运储区时变演化示意如图3所示。图3中，X为煤层走向，Y为煤层倾向，Z为上覆岩层发育高度。

式中：θ₁为煤层倾角，(°)；Q₁为卸压瓦斯运储区内边界的高度，m；Q₂为卸压瓦斯运储区外边界的高度，m；Q₃为开切眼与工作面的水平高度差，m；v为工作面推进速度，m/d；t为工作面推进时间，d；  F为Q₁ ，Q₂到进风顺槽的距离，m；L为工作面宽度，m；K_C1，K_C2分别为卸压瓦斯运储区内、外边界包含下的岩层破断碎胀系数；A₁，A₂分别为开切眼、工作面侧卸压瓦斯运储区的宽度，m；B为工作面进风巷处瓦斯运储区的宽度，m。

图3 卸压瓦斯运储区时变演化示意

（1）采动覆岩中能量耗散结构定义

受采动影响的上覆岩层关键岩块发生能量积聚和耗散现象。在采动初始阶段和采动终止阶段，关键岩块所承载的能量均小于开采过程中所承载的能量，且关键岩块各处均处于能量平衡的稳态，此时的关键岩块遵循能量最低原理。煤层采动打破了关键岩块初始能量最低状态，关键层或坚硬岩层内部的关键岩块受四周岩层挤压，能量大量积聚，导致关键岩块内部孕育出新生微小裂隙并持续拓展，微小裂隙相互交汇贯通，汇聚形成宏观裂隙。当持续积聚的能量超过关键岩块所能承载的最大能量时，关键岩块内部结构发生改变，产生损伤破坏和失稳断裂，并迅速释放积聚的能量，关键岩块新的能量最低状态出现。能量的“积聚-耗散”和结构的“平衡-失稳-平衡”周期性变化完成。此过程中关键层或坚硬岩层内部能量积聚和耗散的关键岩块，称为能量耗散结构，该结构对覆岩裂隙场整体或局部的岩层破断和岩体垮落起重要作用，是影响卸压瓦斯运储区域变化的主要因素。

（2）覆岩能量耗散结构类型及判据

煤层开采过程中上覆岩体两端拉伸破坏至断裂，破断岩块在平行于煤层开采方向的岩体两端挤压下，回转铰接形成“堆砌铰接结构”，能量以点接触形式在铰接处汇聚与耗散，该结构称为点能量耗散结构，如图4a所示。关键层或坚硬岩层内部岩体，受四周岩体压力作用，能量以线接触形式汇聚与耗散，该结构称为线能量耗散结构，如图4b所示。裂隙场中线能量耗散结构和点能量耗散结构往往同时存在，在能量聚集过程中线能量耗散结构受点能量耗散结构分担能量，出现重叠影响范围，形成能量耗散群，能量共同集聚和耗散。

图4 覆岩能量耗散结构类型

岩体破断可简化为梁式破断，为明晰能量耗散结构破断规律，基于胡克定律和砌体梁结构 键块理论，分别建立不同类型能量耗散结构能量破断模型。其中倾斜厚煤层点能量耗散结构力学模型如图5所示，线能量耗散结构力学模型如图6所示。

图5 倾斜厚煤层点能量耗散结构力学模型

图6 倾斜厚煤层线能量耗散结构力学模型

图7 倾斜厚煤层覆岩耗散结构破断条件

（3）能量耗散结构影响瓦斯运储区时变特征

卸压瓦斯能否在覆岩中运储，取决于破断裂隙及离层裂隙在同一空间中各自的密度，而二者的密度变化又由能量耗散结构的稳定性决定。如图8所示，能量耗散结构破断前采空区断裂岩体相互铰接，导致卸压瓦斯流动受阻，能量耗散结构破断后铰接岩体失稳回转或断裂，破断裂隙纵向发育，新能量耗散结构产生。

图8 倾斜厚煤层能量耗散结构影响下卸压瓦斯运储区时变特征

（1）能量监测与分析

上覆岩层受力破断过程中，释放的弹性波沿四周煤岩体介质进行传播，弹性波能被微震监测系统识别，并记录为微震事件。为验证能量耗散结构失稳破坏判据的有效性，根据工作面的实际地质条件和开采速度等，在工作面合理布置YTZ-3型微震监测系统，分析岩体破坏能量演化趋势，工作面微震传感器布置及事件分布如图9所示。

图9 工作面微震传感器布置及事件分布

图10 微震监测结果

（2）瓦斯抽采钻孔布置

能量耗散结构的破断导致采空区裂隙拓展，使瓦斯运储区范围扩大。为了提升卸压瓦斯抽采效率，结合工作面实际情况，根据卸压瓦斯运储区数学控制模型对工作面的卸压瓦斯运储范围进行确定，并对抽采钻孔布置参数进行了优化，卸压瓦斯抽采钻孔布置优化前如图11a所示，优化后如图11b所示。

图11 卸压瓦斯抽采钻孔布置优化前后示意

（3）瓦斯抽采效果考察

对卸压瓦斯抽采钻孔优化前后的平均单孔瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采体积分数进行监测，结果如图12所示。

图12 瓦斯抽采优化效果分析

为了研究倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区演化规律的煤层倾角效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究，得到了靶向区破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比以及裂隙分形维数随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了靶向区演化煤层倾角效应模型。

以新疆硫磺沟煤矿为例，该煤矿(4–5)06工作面煤层倾角25°～33°，平均29°，煤层厚度为5.5～6.8 m，平均厚度为6.15 m，瓦斯涌出量为18.9 m3/min。工作面所在4–5煤层位于西山窑组下段中部，煤层厚度变异系数为13.09%，全区稳定可采，煤层结构较简单，局部夹矸，夹矸岩性一般为泥岩和碳质泥岩，为稳定煤层。试验以(4–5)06工作面为原型，依托西安科技大学西部煤矿开采及灾害防治重点试验室的二维物理相似模拟试验平台，开展相似比为1∶100的物理模拟试验，研究不同煤层倾角下倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律。试验模型两侧留有宽10 cm煤柱，可减小边界效应。受实验台尺寸影响，工作面开采宽度为80 cm，开采高度为底板以上6 cm的4–5煤层，如图13所示。

图13 物理相似模拟试验模型

按照相似原理，按已计算好的试验模型中各分层材料所需量，称出相应质量的配料，通过加水混合搅拌，制得模拟岩层，各模拟岩层逐层叠合并夯实。各模拟岩层所在层位与工作面实际地质赋存情况保持一致，并在模型顶部增加物理配重以替代超出试验台尺寸的岩层。待试验模型风干后进行模拟开采，观测开采扰动过后的上覆岩层破断裂隙、离层裂隙演化规律。

（1）　破断裂隙分布规律

破断裂隙是卸压瓦斯向上升浮、运移的主要途径，是衡量一定区域渗透性的重要特征参数。为方便数据统计与分析，定义以开切眼为原点，工作面所在为水平延展方向，垂直于煤层底板为竖直延展方向，每5 m宽度为一个统计单元，同一单元内所有破断裂隙宽度之和与单元宽度的比值作为该区域破断裂隙密度。

图14 0°倾角破断裂隙宽度分布规律

（2）覆岩离层裂隙分布规律

离层裂隙是卸压瓦斯的主要储集空间，是衡量一定区域瓦斯储集能力的主要特征参数。瓦斯运移优势通道带内离层裂隙面积占比呈现底部最大，顶部次之，中部最小的分布规律；随着倾角的增大，在工作面推进至相同距离时，顶部离层裂隙的面积占比逐渐增大。这是由于边界铰接梁形成后，更高层位的覆岩受采动影响破断、垮落后堆积次序与垮落前接近，岩体之间仅存在少量离层裂隙，使得中部区域离层裂隙面积占比最小。铰接梁下方的冒落带垮落岩体堆积混乱，岩体之间存在大量离层裂隙，垮落岩体与边界悬臂梁之间存在较大的未填充空间，使得底部区域离层裂隙面积占比最大。顶部的坚硬岩层垮落之前会与下方邻近层形成跨度较大的空洞空间，且随着煤层倾角的增大，坚硬岩层在垮落之前的跨度增加，导致下方空洞空间的宽度和跨度同样增大，进而导致在瓦斯运移优势通道带顶部出现相对较大的离层裂隙面积占比情况。

（3）　覆岩分形维数演化规律

裂隙分形维数是描述一定区域内裂隙发育复杂程度的度量值，分形维数值越大，裂隙发育程度越充分，卸压瓦斯在该区域渗透、运移综合能力越强。

图15 工作面侧瓦斯运移优势通道带裂隙分形维数

工作面侧瓦斯运移优势通道带内裂隙的分形维数呈现先减小后增大的现象。煤层倾角越大，裂隙分形维数值普遍越大，拟合曲线极小值点离煤层底板越近(29.5 m<31.3 m<34.0 m)。这是由于煤层倾角越大，工作面侧瓦斯运移优势通道带内垮落覆岩所受下滑效应越强，垮落岩体整体性向开开切眼侧滑移，不易与边界形成铰接结构，导致工作面侧出现较大的未填充空洞区，增大了该区域分形维数。煤层倾角越大，岩体在垂直煤层底板方向承受的重力力矩越小，在更低层位出现较大空洞区域的概率增加，分形维数整体呈现先减小后增大的现象，极小值点所在层位更低。

（1）靶向区层位判定

破断裂隙为卸压瓦斯主要升浮途径，离层裂隙为卸压瓦斯主要储集空间，裂隙分形维数则表明单位空间内的裂隙复杂程度。因此，以工作面侧瓦斯运移优势通道带内破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比、裂隙分形维数距煤层底板距离的变化规律为基础，得到了不同煤层倾角下瓦斯运移优势通道带内裂隙演化规律，如图17所示。

图16 工作面侧瓦斯运移优势通道带裂隙演化规律

第1层铰接梁H₁与裂隙分形维数极小值点H₂所在层位两侧裂隙演化规律差异明显，基于此将优势通道带划分为3个层位的靶向区，按空间层位上的高低依次为低层位靶向区、中层位靶向区和高层位靶向区，如图18所示。

图17 倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区分布

（2）靶向区空间模型构建

靶向区左右边界为瓦斯运移优势通道带内外边界，上下边界为第1层铰接梁和分形维数极小值点所在层位，且整体位于工作面一侧，据此可建立倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区空间形态数学表征方程：

以兖矿新疆硫磺沟煤矿(4–5)06工作面为依托，开展工程实践。根据模型计算分析，其低层位靶向区位于工作面回风巷一侧后方走向距离0～25.4 m，倾向距离–5～10 m，垂直煤层底板0～17 m的范围；其中层位靶向区位于工作面后方走向距离4～30.2 m，倾向距离2.6～28.5 m，垂直煤层底板17～30.5 m的范围。综合考虑钻孔施工成本与瓦斯抽采效率，将优化后的高位钻孔多布置于中层位靶向区内，且偏向于中下部区域。同时，将其上隅角埋管深度优化至15 m，位于低层位靶向区中部区域。

图18 高位钻场布置

工作面回采至13号钻场有效抽采范围时，高位钻孔开始进行卸压瓦斯抽采，其与上隅角埋管的瓦斯抽采纯量总量达到12.3～21.3 m³/min，占绝对瓦斯涌出量的76.2%～88.6%，平均为81.4%，如图20所示。

图19 瓦斯抽采效果